Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii przypadła trzem naukowcom za odkrycie dotyczące tego, w jaki sposób komórki wykrywają tlen i dostosowują się do jego dostępności. To kluczowa wiedza w badaniu wielu procesów życiowych oraz strategii walki z przewlekłymi chorobami typu nowotwory.
Ludzie i zwierzęta potrzebują tlenu do utleniania pokarmów i wytwarzania energii. Choć o niezbędności tego gazu dla podtrzymywania życia wiadomo od wieków - to sposób, w jaki komórki adaptują się do zmian jego poziomu, długo pozostawał nieznany.
Już w 1931 r. Otto Warburg otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za wyjaśnienie, że procesy utleniania mają charakter enzymatyczny i zachodzą w mitochondriach, obecnych w niemal każdej zwierzęcej komórce.
W toku ewolucji powstały mechanizmy umożliwiające właściwe zaopatrzenie w tlen komórek i tkanek. W roku 1938 nagrodę Nobla dostał z kolei Corneille Heymans - który wykazał, że przylegający do rozwidlenia tętnicy szyjnej wspólnej kłębek szyjny zawiera komórki wyspecjalizowane w określaniu zwartości tlenu we krwi. Dzięki sygnałom wysyłanym przez kłębek szyjny mózg wie, jak szybko powinniśmy oddychać, np. po dużym wysiłku.
Nagrodzeni w tym roku naukowcy: William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe i Gregg L. Semenza, pogłębili rozumienie tych procesów, identyfikując mechanizmy molekularne, które regulują w komórkach aktywność genów w odpowiedzi na zmieniające się stężenie tlenu w otoczeniu.
Wrażliwość komórek na dostępność tlenu jest procesem, który ma istotne znaczenie w rozwoju różnych schorzeń. Odkrycie tegorocznych noblistów "ma fundamentalne znacznie w fizjologii i utorowało drogę dla nowych obiecujących strategii walki z anemią, nowotworami i wieloma innymi chorobami", napisał Komitet Noblowski.
Wykrywanie tlenu jest ważnym czynnikiem w przypadku wielu chorób - na przykład anemii i nowotworów, toteż odkrycia tegorocznych noblistów mają znaczenie dla rozwoju fizjologii i patofizjologii. Dzięki nim możliwe będzie opracowanie nowych sposobów leczenia.
Wiadomo, że w przypadku niedoboru tlenu (hipoksji) rośnie poziom wytwarzanego przez nerki hormonu erytropoetyny (EPO), która zwiększa produkcję przenoszących tlen czerwonych krwinek. Zjawisko to, zaobserwowane już na początku XX w., wykorzystują do podnoszenia swojej wydolności sportowcy, ćwicząc na dużych wysokościach lub w pomieszczeniach ze sztucznie obniżonym poziomem tlenu.
Nasz organizm potrafi regulować swój metabolizm w odpowiedzi na dostępność tlenu, np. w górach.
Tegoroczni nobliści Ratcliffe i Semenza badali właśnie gen EPO i zależność jego funkcjonowania od zmian poziomu tlenu. Jak wykazały badania, segmenty DNA, znajdujące się obok genu EPO, pośredniczą w odpowiedzi na niedotlenienie, a mechanizm wykrywania tlenu jest obecny w wielu różnych typach komórek, praktycznie we wszystkich tkankach. Trzeci z laureatów, Kaelin, odkrył, że gen VHL, zwiększający dziedziczne ryzyko wystąpienia niektórych nowotworów, jest zaangażowany w kontrolowanie odpowiedzi na niedotlenienie komórek.
Dzięki przełomowej pracy laureatów Nagrody Nobla wiadomo dziś znacznie więcej o tym, jak różne poziomy tlenu regulują podstawowe procesy fizjologiczne. Wykrywanie tlenu pozwala komórkom dostosować metabolizm do niskiego poziomu tlenu: na przykład w naszych mięśniach podczas intensywnych ćwiczeń. Inne przykłady procesów adaptacyjnych kontrolowanych przez wykrywanie tlenu to wytwarzanie nowych naczyń krwionośnych oraz czerwonych krwinek. Nasz układ odpornościowy i wiele innych funkcji fizjologicznych są również dostrajane przez mechanizm wykrywający tlen. Jego wykrywanie jest też niezbędne podczas rozwoju płodowego (do kontrolowania prawidłowego tworzenia naczyń krwionośnych i rozwoju łożyska).
Fot. nobelprize.org
Wykrywanie tlenu ma zasadnicze znaczenie w przypadku wielu chorób. Na przykład pacjenci z przewlekłą niewydolnością nerek często cierpią na ciężką niedokrwistość z powodu zmniejszonej ekspresji EPO. W guzach nowotworowych mechanizm regulowany tlenem pobudza tworzenie naczyń krwionośnych i przekształcania metabolizmu w celu skutecznego namnażania komórek rakowych. Prowadzone są badania nad lekami, które mają obniżać zawartość tlenu w guzach nowotworowych i w ten sposób blokować ich rozwój.
Podsumowując, bez zdobytej przez nich wiedzy o tym, jak komórki reagują na dostępność tlenu i jak się do nich adaptują, trudno byłoby zrozumieć podstawowe procesy fizjologiczne zachodzące w naszych organizmach: oddychanie, reakcje metaboliczne i odpornościowe, rozwój embrionalny, przystosowanie do dużych wysokości czy ćwiczenia fizyczne. Bez tych odkryć trudno byłoby też leczyć zranienia czy całe mnóstwo chorób, w tym nowotwory, niedokrwistość, udary, zawały serca czy infekcje.
ja
